专利名称：一种双e型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿人机器人、多指灵巧手、机器人柔顺控制以及虚拟现实技术等机器人传感器领域，特别涉及一种能够同时实现对六轴向加速度信息敏感的一体化传感器结构，以及实现对三轴向线加速度和三轴向角加速度信息独立获取方法的一种双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器。
目前广泛采用的微电子机械技术所提出和生产的基本上是单轴向到三轴向加速度传感器，而角加速度传感器是以单轴向为主，无论是基于压电、压阻等结构的加速度传感器，有一个共同的特点是传感器内部都有惯性质量块；另外有一种三轴向加速度传感器是采用三个独立的单轴向线加速度传感器采用正交的方法集成，这种方法存在一个重要的问题是惯性质量质心不一致，不是在同一个空间坐标系反映被测量。实际上在机器人研究中，被控制对象的运动一般是在三维空间中进行的，被测对象在运动过程中存在三维的线加速度和三维的角加速度。
加速度传感器是机器人最重要的内部传感器之一，由于机器人运动过程中，负载的位置/姿态及运动的变化，将会带来附加的动载荷，而智能机器人机械臂的运动是三维空间中进行的，机械手或机械臂的各个关节是同时运动的，因此在工作过程中，负载在三维空间中存在三维线加速度和三维角加速度。
对于基于力反馈柔顺控制的操作型智能机器人而言，是通过装在机械手腕部的六轴力传感器来实现对控制过程中的力的测量，由于负载的位置/姿态及运动变化所产生附加载荷的影响，从力传感器的输出中无法得到对力反馈控制所需要的接触力信息。如果在进行力测量的同时能够获得机械手各个关节位置姿态变化和加速度信息，则可以直接利用这些信息进行位置/姿态和惯性力的补偿，获取真正动力学解耦的六维接触力和负载力信息。
本发明的技术方案是一种双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器，包括法兰盘固定底座(1)、下E型圆膜片(2)、惯性质量块(3)、上E型圆膜片(4)、上膜片连接圆片(5)、十字梁(6)、外壳(7)、密封圈(8)、底盖板(9)、下膜片连接圆片(10)，它们共同构成双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器，其特征在于十字梁(6)对接在上膜片连接圆片(5)和下膜片连接圆片(10)的十字槽中并固定于其中间，上膜片连接圆片(5)的上表面与上E型圆膜片(4)连接，上E型圆膜片(4)的周边为均布惯性质量块(3)，质量块(3)在三维空间保持惯性从而产生惯性力并作用于弹性体；下膜片连接圆片(10)的下表面与下E型圆膜片(2)连接，下E型圆膜片(2)与传感器底座(1)固定在一起。
外壳(7)和底座(1)通过螺纹联结在一起，它们之间的空腔充满了油介质，密封圈(8)安装在外壳(7)与底座(1)之间的连接部分，用于防止空腔内的介质溢出。空腔中填充的油介质用于实现合适的阻尼控制，以改善传感器输出信号特性。
所述的下E型圆膜片(2)、十字梁(6)、上E型圆膜片(4)的材料为97％的AL2O3烧结体陶瓷。
这种立体结构可以将线加速度ax、ay测量与角加速度αx、αy测量分别置于两个E型圆膜片上，安装底座(1)方便与被测对象之间的机械连接，惯性质量块(3)在被测对象运动过程中运动发生变化时带来惯性力并作用于上下E型圆膜片(4)、(2)和十字梁(6)的弹性体上。
本发明还提供一种用于同时获取三维线加速度和三维角加速度信息的方法，其特征在于下E型圆膜片(2)、十字梁(6)、上E型圆膜片(4)上烧结有钌系厚膜力敏电阻，其位置如图3、图4所示。上下E型圆膜片(4)、(2)敏感面内的电阻对称布置，每个电阻离圆心距离相等，该厚膜力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六维加速度信息的获取，并通过解耦消除相互之间的耦合，同时实现三维线加速度和三维角加速度的全加速度信息独立获取；X、Y方向角加速度信息获取敏感桥路采用在上E型圆膜片(4)平面内互相垂直布置，其厚膜力敏电阻布置位置方向与下E型圆膜片(2)相同，其中上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对角加速度αx的测量；上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对角加速度αy的测量；十字梁(6)上的四个厚膜电阻布置在同一梁平面内，并采用沿上下、左右对称轴对称布置，用来获取力矩αz的信息；下E型圆膜片(2)、和上E型圆膜片(4)的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y，采用在下E型圆膜片(2)平面内互相垂直布置。Z方向线加速度信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圆膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对线加速度ax的测量；
下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对线加速度ay的测量；下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对线加速度az的测量；上E型圆膜片(4)敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对线加速度az的冗余信息；采用本发明所述的十字梁连接双E型圆膜结构可以实现对同一空间坐标系内的三维线加速度和三维角加速度同时测量，并且本发明通过改变上下双E型膜(4)、(2)的结构尺寸和敏感单元位置，可以实现对传感器ax、ay、az、αx、αy的量程和灵敏度调整。
在前面所述的结构中，十字梁(6)既是上下双E型圆膜的联接体和力传递构件，又是获取Z方向角加速度αz信息的敏感弹性体，且实际的输出信号与输入力负载之间线性优良，其它的力分量对其理论上没有影响，实测中的耦合干扰极小。通过十字梁尺寸的变化可以很方便地调整Z方向角加速度信息获取的量程和灵敏度，克服了Z方向的刚度与其他方向刚度差异较大而引起各方向加速度分量灵敏度之间差异较大的问题。
以上所述的十字梁连接的双E型圆膜结构的六维加速度传感器及其信号获取方式中所述的敏感单元是通过厚膜工艺实现，根据敏感单元的设计位置通过光刻的方法制作掩膜板。通过丝网印刷的方法将具有力敏特性的厚膜浆料印刷在传感器弹性体上相应的位置，再在一定的温度下烧结。传感器制作过程中各种参数调整、工艺实现十分方便。
该传感器的结构和敏感桥路布置方式可适用于金属弹性体的应变式六维加速度传感器或获取六维加速度信息的装置，并可适用于不同尺寸和量程要求的六维加速度传感器或装置。
本发明的有益效果是本发明对目前机器人学研究中日趋活跃的微驱动操作技术、多指灵巧手及临场感技术研究中迫切需要小尺寸和小量程的六维加速度传感器有十分重要的意义。
通过采用厚膜工艺在以陶瓷为弹性体材料的双E型圆膜片及十字梁上烧结敏感元件实现对六维加速度信息的获取，这种结构、工艺和信号获取方法容易实现从微小型化尺寸到大尺寸的各种不同量程六维加速度传感器的设计，并可以通过改变膜片和梁的厚度、尺寸等结构参数实现对传感器各个方向的灵敏度调整，以满足不同场合下机器人全力感知系统的使用要求。
本发明采用的十字梁连接的双E型圆膜结构，可以实现对三维线加速度和三维角加速度信息的同时获取，解决了以力矩形式获取线加速度信息和获取角加速度信息之间的矛盾，克服了目前一般多维加速度传感器的强耦合问题；本发明采用的十字梁形式结构，既是本发明的双E型圆膜的联结和力传递构件，同时又是获取Mz力矩的敏感弹性体，这种独立的十字梁结构克服了Z方向角加速度与其他方向线加速度和角加速度之间的相互干扰问题，并且通过改变十字梁的结构尺寸容易实现灵敏度的调整，克服了目前一些专利中Z向的刚度与其他方向刚度不一致的问题，有较大的调整空间和灵活性。下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明
图1为本发明的外形结构剖面示意图。
图2为金属圆膜片结构尺寸剖面图。
图3为上下E型圆膜片上敏感电阻布置位置示意图。
图4为中间十字梁陶瓷上敏感电阻布置位置示意图。
图5为传感器受到力ax、ay、az作用下E型圆膜片应变图。
图6为传感器受到力矩αx、αy作用下的E型圆膜片应变图。
图7为传感器受到力矩αz作用下的应变立体示意图和敏感平面应变图。
图1为本发明的外形结构剖面示意图。两个E型圆膜片2、4通过中间陶瓷十字梁6固接在一起，十字梁6和E型圆膜片2、4之间通过固接在两圆膜片上的膜片与圆片5、10上的十字槽连接。
整个六维力传感器的坐标是以上E型圆膜片4的表面中心O为基准，金属圆片的固定同样是以O为圆心，并且十字槽的宽度等于十字梁6的厚度，方向与下E型圆膜片2和上E型圆膜片4上的敏感电阻方向一致。
其中上E型圆膜片4外部与惯性质量块3连接，安装基座1的外径大于惯性质量块外径，例如惯性质量块3外径可以选择为φ18mm，安装基座1外径选择为φ20mm。惯性质量块3、安装基座1应选择不同的材料，惯性质量块3的材料和尺寸的选择根据所设计的传感器要求灵敏度和量程来定，安装基座1可选择铝合金材料或其他金属材料，二者也可以根据惯性质量块来选择相同的金属材料。
E型圆膜片2、4和十字梁6的铝合金膜片连接圆片5、10外径为φ5mm，相对陶瓷膜片粘贴的面上加工宽度为0.2mm的十字沟槽，沟槽的宽度与十字梁6的厚度相等，沟槽的宽度与陶瓷十字梁6宽度相同，以保证相互之间无间隙配合，陶瓷十字梁6的宽度为5mm，与圆膜片连接圆片5、10的外径相同，高度选择为12mm。
图1、2中上E型圆膜片4和金属圆片6之间通过703胶固接在一起，上下E型圆膜片结构形状对称。对于采用金属弹性体结构的这种形式的六维加速度传感器，上、下E型圆膜片连接圆片5、10和十字梁6，上下圆膜片可做成整体结构形式。
上、下E型圆膜片4、2连接上、下圆片5和10的结构形状如图3所示。其中与十字梁6固接的一面中间加工有宽度为0.2mm的十字槽以方便与十字梁6之间的连接。
图3和图4为上、下E型圆膜片4、2和十字梁6陶瓷上烧结电阻位置示意图。图3表示上、下E型圆膜片4、2敏感面上电阻位置图，其中下E型圆膜片2敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对线加速度ax的测量；下E型圆膜片2敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对线加速度ay的测量；下E型圆膜片2敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对线加速度az的测量；
上E型圆膜片4敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对角加速度αx的测量；上E型圆膜片4敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对角加速度αy的测量。
上E型圆膜片2敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z可以提供一路对线加速度az的冗余信息。
上下E型圆膜片4、2敏感面内的24个电阻按照图5所示位置对称布置，每个膜片的中间6个电阻位于相对圆心直径为φ6，且每个电阻离圆心距离相等。
图4表示陶瓷十字梁6上的一个敏感面内厚膜电阻烧结位置示意图，图中的电阻R1、R2、R3、R4用来实现对Z向角加速度αz的测量，四个电阻按照图中位置对称布置，且尽量远离对称轴，电阻的方向与对称轴相交一角度，例如图中的30度方向。
图5为传感器膜片在三种不同的惯性力作用下的应变情况剖视图。其中A表示传感器在如图所示平面内受到X方向惯性力Fx的作用，由于力作用平面在上E型圆膜片4上，上E型圆膜片4上的电阻R1x、R2x、R3x、R4x都不发生变化，下E型圆膜片2产生如图所示的变形，下E型圆膜片2上的电阻R1x、R2x、R3x、R4x组成的桥路有输出，输出信号与所加力Fx满足函数关系，通过输出的值得到所加力大小，而圆膜片上的其他电阻阻值不发生变化，也就不产生输出。X方向的惯性力大小与其线加速度成正比关系。
对于Y方向来说，输入输出及传感器受力变形与X方向相同，其测量原理也相同，Y方向的惯性力大小与其线加速度成正比关系。
图5B表示沿Y方向惯性力Fy的传感器圆膜片变形情况。
图5C中表示的是传感器受到如图所示的惯性力F作用时变形，其方向与Z方向一致。由于上下E型膜片4、2上的R1z、R2z、R3z，、R4z都发生变化，其组成的电桥输出与所加力大小满足一定函数关系，可以通过输出的值得到惯性力Fz的大小，实现对惯性力FZ的测量，实际使用中采用下敏感面电桥输出，敏感面电桥输出作为冗余信息。
图6为被测对象有角加速度αx、αy时，传感器受到相应惯性力矩Mx、My作用下的E型圆膜片应变图。
图6A为传感器受到惯性力矩Mx时的变形剖视图，使得上下E型圆膜片4、2产生如图所示的变形。
传感器上敏感面上的电阻R1y、R2y、R3y、R4y都产生变化，两组桥路都会产生输出，角加速度变化大小与传感器电阻变化产生的输出满足固定的函数关系。
图6B表示当传感器受到惯性力矩My作用时变形情况，所产生的效果与Mx力矩相同。如图6B所示。
图7为传感器被测对象有加速度αz时产生的惯性力矩Mz作用下的应变立体示意图和敏感平面应变图。
图7表示传感器受到惯性力矩作用下中间十字梁6的变形情况，图中7(A)表示十字梁的敏感面应变情况，图7(B)表示受到图(A)同样的惯性力矩情况下应变立体图。在如图所示的惯性力矩作用下，电阻R1、R4受到拉应力，R2、R3受到压应力，通过特定的电桥即输出一与所加惯性力矩Mz成函数关系的输出信号，从而可以实现对惯性力矩Mz的测量，并且在这种情况下，其它桥路没有信号输出。惯性力矩的大小与被测的角加速度成正比关系。
具体实施例方式本发明采用厚膜工艺，用丝网印刷技术将力敏电阻浆料和导电体浆料印刷在E型圆膜片和十字梁的陶瓷基体特定位置上，经烧结形成24个厚膜应变电阻，构成六组分别获取六维加速度信息的桥路。
为了实现小量程和高灵敏度的测量，E型圆膜片厚度采用0.2～0.4mm，十字梁的厚度采用0.2～0.4mm。当采用金属作为弹性体时，上下E型圆膜和中间十字梁可以加工成为一体化结构，根据前面所述的敏感单元布置方式通过贴应变片电阻的方式实现对三维线加速度三维角加速度信息的获取，这种方式的各个方向量程和灵敏度调整可以通过改变上下E型圆膜或中间十字梁部分的结构尺寸来实现，这样本发明可以应用于需要小量程、高灵敏度的六维加速度传感器和使用六维加速度传感器装置。
为了实现上述的结构，本发明加工制造方法包括下述的几个步骤首先分别加工两个圆形陶瓷膜片2、4和陶瓷十字梁6，在上面预定位置烧结好厚膜力敏电阻；其次加工两个直径φ5mm、厚度为2mm的E型圆膜片连接圆片5、10，在合金圆片一个侧面中间加工一个十字沟槽，再将E型圆膜片连接圆片5、10无沟槽面粘贴在陶瓷圆膜片非敏感面的中心位置，同时保证金属圆片的十字沟槽与E型圆膜片的敏感方向一致；最后将陶瓷十字梁6对接在两个E型膜片连接圆片5、10的十字沟槽中并固定。
为了方便电桥供电输入和信号输出引线连接，在每个E型圆膜片的边缘上烧结银引线焊点，引线按照预定的敏感桥路布置和信号获取方式将厚膜电阻连接在一起，在每个E型圆膜片与十字梁固定在一起之前，首先分别将每个膜片上的输入输出引线焊接在E型圆膜片的银焊点内边缘。外引线在传感器上下E型圆膜片固定后焊接在下E型圆膜片的外边缘提供给外接变送器。
权利要求
1.一种双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器，包括法兰盘固定底座(1)、下E型圆膜片(2)、惯性质量块(3)、上E型圆膜片(4)、上膜片连接圆片(5)、十字梁(6)、外壳(7)、密封圈(8)底盖板(9)、下膜片连接圆片(10)，其特征在于十字梁(6)对接在上膜片连接圆片(5)和下膜片连接圆片(10)的十字槽中并固定于其中间，上膜片连接圆片(5)的上表面与上E型圆膜片(4)连接，在上E型圆膜片(4)的周边为均布惯性质量块(3)，质量块(3)在三维空间保持惯性从而产生惯性力并作用于弹性体；下膜片连接圆片(10)的下表面与下E型圆膜片(2)连接，下E型圆膜片(2)与传感器底座(1)固定在一起；外壳(7)和底座(1)通过螺纹联结在一起，它们之间的空腔充满了油介质，密封圈(8)安装在外壳(7)与底座(1)之间的连接部分，用于防止空腔内的介质溢出；所述的下E型圆膜片(2)、十字梁(6)、上E型圆膜片(4)的材料为97％的AL2O3烧结体陶瓷，均布惯性质量块(3)为金属铜合金材料，上膜片连接圆片(5)和下膜片连接圆片(10)的金属圆片为铝合金材料。
2.一种用于同时测量三维线加速度和三维角加速度信息的方法，其特征在于下E型圆膜片(2)、十字梁(6)、上E型圆膜片(4)上烧结有钌系厚膜力敏电阻，力敏电阻位置为上下双E型圆膜片(4)、(2)敏感面内的厚膜力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六轴向加速度信息的获取，并通过标定求出维间耦合关系，对六组桥路输出解耦处理实现三轴向线加速度和三轴向角加速度信息独立获取；所有三轴向线加速度和角加速度定义以上E型圆膜片(4)敏感面中心定义，其中圆膜片轴线为Z向，相应X、Y方向符合卡笛生坐标右旋方向来定义；X、Y方向角加速度信息获取敏感桥路采用在上E型圆膜片(4)平面内互相垂直布置，其厚膜力敏电阻布置方向与下E型圆膜片(2)相同，其中上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对角加速度αx的测量；上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对角加速度αy的测量；十字梁(6)上的四个厚膜电阻布置在十字梁平面内，并采用沿上下、左右对称轴对称布置，用来获取角加速度αz的信息；下E型圆膜片(2)、和上E型圆膜片(4)的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向线加速度信息获取敏感桥路电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y，采用在下E型圆膜片(2)平面内互相垂直布置，Z方向线加速度信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圆膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对线加速度ax的测量；下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对线加速度ay的测量；下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对线加速度az的测量；其中上E型圆膜片(2)敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对线加速度az的冗余信息，用于传感器校准；中间十字梁(6)结构上的四个敏感面都可以按照前述方式布置电阻，提供冗余角加速度αz信息，用于对角加速度αz的校准和补偿，十字梁(6)最多可同时提供3路冗余信息。
3.根据权利要求书1或2所述的以十字梁(6)连接的双E型圆膜结构或敏感桥路布置方式，其特征在于通过改变敏感元件位置或弹性体结构尺寸，可以独立实现传感器的各个方向输出灵敏度调整和量程改变，以满足不同量程和不同灵敏度要求的六维加速度传感器和六维加速度装置的实际需要；通过选择金属弹性体材料加工成上述结构，同样可以构成本发明所表述的应变式六维加速度信息获取的传感器或装置；选择金属弹性体时，十字梁(6)与双E型圆膜片可以采用整体加工形式的一体化结构，通过改变十字梁(6)的高度、宽度和厚度，以及不同的上下E型圆膜片(4)、(2)几何尺寸可以实现对传感器的六个加速度分量的灵敏度进行独立调控，在不影响检测精度前提下，保证传感器满足不同应用场合的量程要求。十字梁(6)连接的双E型膜这种立体结构可以将线加速度ax、ay测量与角加速度αx、αy测量分别置于两个E型圆膜片上，安装底座(1)方便与被测对象之间的机械连接，惯性质量块(3)在被测对象运动过程中运动发生变化时带来惯性力并作用于上下E型圆膜片(4)、(2)和十字梁(6)弹性体上。
全文摘要
本发明公开了一种用于同时获取全加速度信息的六维加速度传感器，即一种双E型圆膜片十字梁结构的六轴加速度传感器，可同时实现对三维空间坐标中三轴向线加速度和角加速度的测量。该传感器利用厚膜技术，以陶瓷材料的圆膜片和十字梁作为敏感弹性基体，采用双E型圆膜片和十字梁组成的结构，在陶瓷基体上烧结厚膜力敏电阻，通过特殊的组桥方式和解耦实现对三维线加速度和三维角加速度的同时测量，其主要应用于各种机器人灵巧手多轴指力和腕力传感器的动态补偿、动力学解耦和基于加速度反馈控制等场合。
文档编号G01P15/18GK1396458SQ0213789
公开日2003年2月12日 申请日期2002年7月2日 优先权日2002年7月2日
发明者戈瑜, 吴仲城, 葛运建, 申飞, 马军, 汪小龙, 卞亦文, 钱朋安, 钱敏 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所